CN107703465A - 磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁传感器，包括：支撑结构；和嵌于所述支撑结构上的三个相互正交的层状磁电复合材料，每个所述层状磁电复合材料均由一层压电材料，两层磁致伸缩材料，两层自偏置材料和四层粘合剂材料组成。本发明的磁传感器功耗低、体积小、稳定度高、分数带宽小、矢量型、正交性好。

Description

磁传感器

技术领域

本发明涉及一种磁传感器，尤其涉及一种应用于室内精确定位或者内窥镜胶囊定位的微型矢量磁传感器。

背景技术

无线胶囊内窥镜是内窥镜检查术的一个重大突破，它克服了传统缆线内窥镜的两大缺陷：难以实现完整的小肠检查并且给病人带来巨大的痛苦，所以发展潜力巨大。但是，要进一步推广胶囊内窥镜还要解决病理组织位置确定、胶囊运动主动控制、图像质量、病理组织观测等问题，这些问题与胶囊的定位相关，胶囊内窥镜模块原理图如图1所示。胶囊内窥镜的定位有多种方法。其中一种方法是基于矢量磁传感器对特定磁信号响应的定位技术，称为磁近场定位技术，如图1所示。此外，3D超声，医学影像，如X线成像、CT和MRI都可以用来定位。但这些方法要么过程复杂，要么精度太低，都难以满足要求。

在内窥镜或者内窥镜胶囊的磁近场定位技术中包括两种实施方法。第一种是在体外固定由三个以上磁信号发生器（线圈）组成的磁信号发生器阵列，然后内窥镜内矢量磁传感器对特定交变磁信号响应并输出电信号然后根据算法计算出胶囊位置，如图2所示。第二种方法是在内窥镜内放置一磁信号发生器（线圈），在人体外固定由多个磁传感器组成的磁信号探测阵列，然后根据磁传感器阵列的响应信号计算出内窥镜位置。第一种方法的特点是将磁传感器放置在人体内，磁传感器功耗低，可以用微型电池供电或者内部的低功率集能器为其供电。所以采用第一种方法的优点是可以放置在内窥镜胶囊中采用无线通信的方式与外界通信。第二种方式要求的功耗大，只应用于有线缆的内窥镜中。本发明是在采用第一种方法放置磁传感器的基础上进一步研究。

为了达到现代医学上要求的以高精度手术或者定点药物释放的精度要求，医学上对内窥镜胶囊定位精度的要求越来越高，这就对磁传感器的灵敏度和分辨率提出更高的要求。

近10年来由磁电效应发展而来的磁电型弱磁传感器灵敏度高，谐振下可达10^-15T量级，体积小，mm量级。磁电型磁传感器的分数带宽可低至1/1000，具有超高的窄带通特性。在基于磁信号的近场定位原理中，一般所施加的磁信号都是某特定频率的磁信号。现在在内窥镜或内窥镜胶囊定位中应用的大分数带宽型磁传感器需要在后端信号处理中增加模拟或者数字锁相放大器件。所以采用高分数带宽的磁电型弱磁传感器可以取消后端信号处理部分的锁相放大器件，既降低了后端电路的复杂性与成本，也提高了信号处理的效率。

典型的磁电型弱磁传感器是基于磁电效应的磁传感器，由磁致伸缩材料与压电材料层状复合而成的复相磁电复合材料的磁电效应比传统的单相磁电材料的磁电效应高2个数量级以上。现在学术中主要的磁电型弱磁传感器均是基于磁致伸缩材料与压电材料层状复合而成的异质结层状磁电复合材料作为磁灵敏元，如图3所示，该复合材料从上至下依次为磁致伸缩材料12，粘合剂13，压电材料19，粘合剂13和磁致伸缩材料12，两端为偏置磁铁15。然而这种结构需要比较大的磁铁提供偏置磁场，在医疗环境中，很多种医疗设备都不允许将铁磁性材料引入到医疗环境中。况且磁铁会对铁磁性手术器材（如剪刀，镊子）等产生影响，会严重影响医生手术时下刀的精准性。所以这种结构的磁电型磁传感器不能应用在医疗行业中，更不能应用于精密胶囊式内窥镜中。

发明内容

鉴于以上存在的问题，本发明旨在提供一种功耗低、体积小、稳定度高、分数带宽小、矢量型、正交性好的磁传感器。本传感器是基于一种新型原理——磁-弹-电耦合方式进行磁场精密探测，是一种自偏置的无磁铁磁传感器，能够在不需要引入偏置磁场就达到高磁电效应的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁传感器，包括：支撑结构；和嵌于所述支撑结构上的三个相互正交的层状磁电复合材料，每个所述层状磁电复合材料均由一层压电材料，两层磁致伸缩材料，两层自偏置材料和四层粘合剂材料组成。

本发明所描述的一种三轴矢量型磁电弱磁传感器以自偏置异质结层状磁电复合材料作为灵敏元。复合材料中采用粘合剂将各层的自偏置材料、磁致伸缩材料和压电材料层状耦合在一起，其中自偏置材料产生的弱磁化梯度场为磁致伸缩材料提供偏置。此磁化梯度场极弱，不会对周围医疗器械产生影响。本发明功耗低，仅为毫瓦量级，体积小，例如可以有利于集成到内窥镜胶囊中，分数带宽小，极大的简化了后端信号处理电路，提高信号处理效率，探测灵敏度高，谐振下灵敏度达10^-15T量级，使磁近场定位精度达到mm量级。本发明的磁传感器也可以适用于室内精确定位。

相比于现在用于内窥镜定位中采用的三轴线圈的方式，本发明中的传感器具有分数带宽小、体积小、灵敏度高、正交性好等优势。不仅可以提升定位系统的精确度，还可以取消后端信号处理中模拟或者数字锁相放大器件，提高信号处理效率，降低电路复杂性和成本。相比于典型的需要磁铁偏置的磁电型弱磁传感器，本发明的优势是结构简单，不需要偏置磁铁，对周围的环境不会带来磁干扰，更易于小型化和集成。

优选地，三个所述层状磁电复合材料沿所述支撑结构的三个不相交的正交楞嵌入到所述支撑结构中。由此，三个磁电型层状磁电复合材料嵌入到支撑结构中，形成三轴之间相互正交的矢量型磁传感器，信号相互独立。

优选地，所述压电材料为压电陶瓷钛酸铅PZT或者弛豫铁电单晶铌镁酸铅钛酸铅PMN-PT，所述压电材料亦可是起到同种功能的其他类高性能压电材料。

优选地，所述磁致伸缩材料为铁基非晶金属带，铁基非晶金属带具有高压磁系数低成本等优势，亦可是能起到同种功能的具有高磁致伸缩性能的镍基非晶金属薄带或者其他磁致伸缩材料。例如，磁致伸缩材料可以是采用超急剧凝固法制备的铁基非晶金属带，是由铁、硅、碳、钴等材料在熔融状态下以超过1×10⁶℃/s急速降温形成带状玻璃体。

优选地，所述自偏置材料为将非晶金属带在500℃以上温度退火以后的薄带材料。亦可是起到提供磁化梯度场同等作用的其他磁性材料。更具体地，自偏置材料例如可以由铁基非晶金属带或镍基非晶金属带在500℃或以上温度退火结晶后的带状材料，在一定强度的外磁场下磁化后产生弱磁化梯度场，为磁致伸缩材料提供磁偏置。

优选地，所述粘合剂材料为环氧树脂胶。

优选地，所述支撑结构为低磁导率的绝缘材料，例如PVC、尼龙等，亦可是起到同等作用的其他低磁导率、绝缘性能好、机械强度高的材料。

更优选地，所述支撑结构为大致立方体的几何形状，在制作过程中将该立方体的三条正交且不相交的楞切除。

本发明还提供一种具备上述磁传感器的内窥镜胶囊。

附图说明

图1为内窥镜胶囊各功能模块示意图，其中Φ为胶囊式内窥镜直径；

图2示出了基于磁近场定位原理示意图，本图中线圈阵列数量可变，6个线圈仅为参考数量；

图3示出了典型的需要磁铁提供偏置磁场的异质结层状磁电复合材料，复合材料从上至下依次为磁致伸缩材料，粘合剂，压电材料，粘合剂和磁致伸缩材料，两端为偏置磁铁；

图4示出了用于本发明磁传感器的自偏置异质结层状磁电复合材料，层状材料从上至下依次为自偏置金属薄带，粘合剂，磁致伸缩材料，粘合剂，压电材料，粘合剂，磁致伸缩材料，粘合剂和自偏置金属薄带；

图5示出了基于本发明的自偏置磁电传感器的3轴矢量型磁传感器结构示意图，三个单轴的磁电型弱磁传感器嵌入一个如图所示的类似于正方体的几何体中；

附图标记：

1、2、3、4、5、6 体外阵列式发射线圈；

7 胶囊内三轴矢量磁电型弱磁传感器；

8、9、10自偏置磁电复合材料；

11支撑结构；

12磁致伸缩材料；

13粘合剂；

19压电材料；

15偏置磁铁；

16自偏置金属薄带。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不限制于本发明。

针对现有的磁传感器所存在的种种问题，本发明提供了一种磁传感器，包括：支撑结构；和嵌于所述支撑结构上的三个相互正交的层状磁电复合材料，每个所述层状磁电复合材料均由一层压电材料，两层磁致伸缩材料，两层自偏置材料和四层粘合剂材料组成。

由此本发明提供了一种自偏置的无磁铁磁传感器，能够在不需要引入偏置磁场就达到高磁电效应的目的。本发明以自偏置异质结层状磁电复合材料作为灵敏元。复合材料中采用粘合剂将各层的自偏置材料、磁致伸缩材料和压电材料层状耦合在一起，其中自偏置材料产生的弱磁化梯度场为磁致伸缩材料提供偏置。此磁化梯度场极弱，不会对周围医疗器械产生影响。本发明的磁传感器特别适用于内窥镜胶囊。

具体而言，图4示出了用于本发明磁传感器的单轴自偏置异质结层状磁电复合材料的三维立体图。图5中的(a)和(b)分别示出了本发明一实施形态的三轴正交磁电型弱磁传感器的三维结构示意图和爆炸性视图。

如图4所示，本发明采用自偏置磁电复合材料作为灵敏元，其包括：两层起到磁致伸缩性能的非晶金属带12，两层起到自偏置作用的自偏置金属薄带16，一层高性能压电材料19和介于这5层材料之间、起到粘结这5层材料的粘合剂13。粘合剂13可以为环氧树脂胶。

所述压电材料19可以为压电陶瓷钛酸铅PZT或者弛豫铁电单晶铌镁酸铅钛酸铅PMN-PT，所述压电材料亦可是起到同种功能的其他类高性能压电材料。

所述磁致伸缩材料12可以为铁基非晶金属带，铁基非晶金属带具有高压磁系数低成本等优势，亦可是能起到同种功能的具有高磁致伸缩性能的镍基非晶金属薄带或者其他磁致伸缩材料。例如，磁致伸缩材料可以是采用超急剧凝固法制备的铁基非晶金属带，是由铁、硅、碳、钴等材料在熔融状态下以超过1×10⁶℃/s急速降温形成带状玻璃体。

所述自偏置材料16可以为将铁基非晶金属带在500℃以上温度退火以后的薄带材料。亦可是起到提供磁化梯度场同等作用的其他磁性材料。更具体地，自偏置材料可以由铁基非晶金属带在500℃或以上温度退火结晶后的带状材料，在一定强度的外磁场下磁化后产生弱磁化梯度场，为磁致伸缩材料提供磁偏置。

如图5所示，本发明的矢量型三轴正交磁电弱磁传感器还包括一个能够支撑三个所述自偏置磁电复合材料的支撑结构11。图5所示的一实施形态中，所述支撑结构11为大致立方体的几何形状，在制作过程中将该立方体的三条正交且不相交的楞切除。在所设计的沿立方体三个相互正交且不相交的楞上嵌入三个前述自偏置磁电复合材料8、9、10。对机械支撑架材料的要求为低磁导率、绝缘、机械强度高。所述支撑结构11可为低磁导率的绝缘材料，例如PVC、尼龙等，亦可是起到同等作用的其他低磁导率、绝缘性能好、机械强度高的材料。

在具体实施过程中，以用于内窥镜胶囊定位为例，将图5所示的3个相互正交的自偏置磁电复合材料8、9、10分别接到3通道运放电路中。对电路的要求为放大倍数均一、噪声低、功耗低、体积小。然后将运算放大器的输出信号输入图1所示的“信号处理及系统控制单元”，然后通过信号调制器进入信号发生模块，体外计算机接收到此信号进而计算出内窥镜胶囊的具体位置。

此外，本发明的磁传感器还适用于室内精确定位，例如，运动轨迹捕捉、室内各种移动位置监控、停车场定位等小区域范围的精确定位。

本发明所采用的层状磁电复合材料结构不限于此，亦可是其他能高效进行磁-弹-电耦合的几何结构，如在压电材料前后两端覆盖电极的长度-长度模式结构。

本发明所采用的支撑结构不限于图5所示，亦可是其他中能够提供相互三轴正交的机械结构。甚至可以是三个不相交、亦不同方向的几何结构，不过这样的结构在计算中更复杂，算法模型也更复杂，计算效率稍低。

综上所述，根据本发明的均匀磁场发生器主要有如下优点：1）本发明中的传感器具有的优势有带宽分数小、体积小、灵敏度高、正交性好等，不仅可以提升定位系统的精确度，还可以取消后端信号处理中模拟或者数字锁相放大器，提高信号处理效率，降低电路复杂性和成本；2）相比于典型的需要磁铁偏置的磁电型弱磁传感器，本发明的优势是结构简单，不需要偏置磁铁，对周围的环境不会带来磁干扰，更方便小型化与集成。

本发明的整体结构和形状并不限于上述实施例所述的情况。上述实施方式只是为了说明本发明的技术构思和特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种磁传感器，其特征在于，包括：支撑结构；和嵌于所述支撑结构上的三个相互正交的层状磁电复合材料，每个所述层状磁电复合材料均由一层压电材料，两层磁致伸缩材料，两层自偏置材料和四层粘合剂材料组成。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，三个所述层状磁电复合材料沿所述支撑结构的三个不相交的正交楞嵌入到所述支撑结构中。

3.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述压电材料为压电陶瓷钛酸铅PZT或者弛豫铁电单晶铌镁酸铅钛酸铅PMN-PT。

4.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述磁致伸缩材料为铁基非晶金属带或镍基非晶金属带。

5.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述自偏置材料为将非晶金属带在500℃以上温度退火结晶化后生成的硬磁金属合金薄带，然后在一定外磁场下磁化而制得的材料。

6.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述粘合剂材料为环氧树脂胶。

7.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述支撑结构为低磁导率的绝缘材料。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的磁传感器，其特征在于，所述支撑结构为立方体，在制作过程中将该立方体的三条正交且不相交的楞切除。

9.一种内窥镜胶囊，具备根据权利要求1至8中任意一项所述的磁传感器。